La présente recherche répond au besoin actuel d'évaluer l'impact des activités humaines sur les ressources naturelles de manière à encourager une exploitation durable de ces ressources. On s'intéresse précisément ici à une centaine de parcelles situées autour du terroir d'Umarbugu au Sud du Mali, une région particulièrement sensible au phénomène de dégradation des sols. L'application du modèle SLEMSA aux données caractérisant les parcelles agricoles mentionnées précédemment a permis d'obtenir des estimations annuelles des taux de pertes en sols. Celles-ci reflètent la grande variabilité et l'intensité du climat avec des années de sécheresse et très peu de pertes en sols mais aussi des années dans la moyenne, 850 mm de précipitations répartis sur environ quatre mois, ou davantage, avec des épisodes de pluies beaucoup plus intenses et de fait des pertes beaucoup plus alarmantes pouvant dépasser les 35 t/ha/année. L'analyse des estimations obtenues a également permis d'identifier certains facteurs aggravant tels que la culture du coton ou les champs ayant une grande superficie. Le modèle choisi permet de tenir compte d'éventuelles pratiques de conservation et l'on sait que certains propriétaires des champs d'Umarbugu commencent à utiliser la culture en courbes de niveau, ce qui réduit l'écoulement et favorise la rétention de l'eau. On a donc effectué quelques simulations afin d'évaluer l'impact de telles pratiques et l'on a abouti à une diminution d'environ 60 % des taux de pertes de sols.

Les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) sont des composés organiques présents dans de nombreux sols contaminés par les émissions d’activités anthropiques (voies routières, usines à gaz de ville, aciérie…). La présence d’animaux sur ces sols de prairies est une voie d’entrée majoritaire des polluants qui, du fait de leur propriété lipophile, vont s’accumuler dans la chaîne alimentaire. Dans ce travail, les concentrations en HAP dans des sols situés aux abords de sources émettrices ont été relevées. Afin de prédire les effets d’une exposition de ruminants laitiers à des prairies polluées sur la qualité du lait, du sol contaminé par 4 HAP (fluorène, pyrène, phénanthrène et benzo[a]pyrène) été administré quotidiennement à des vaches laitières via des fistules ruminales. Aucune augmentation de la concentration en molécules mères n’a été notée dans le lait. En revanche, 2% des composés sont apparus sous leur forme de métabolite monohydroxylé (2-OH fluorène, 3-OH phénanthrène et 1-OH pyrène) suite à cette exposition. Le dosage de composés parents dans les fèces montre par ailleurs que moins de 5% sont directement éliminés par cette voie. Combiné à l’apparition de métabolites dans le lait, ces résultats témoignent de l’absorption et de la biotransformation de ces composés parents. Pour préciser ces données, la réalisation d’un modèle in vitro simulant le rumen d’une vache laitière a permis d’évaluer l’extractibilité du sol de 2 HAP marqués au 14C (phénanthrène et benzo[a]pyrène). Moins de 10% de la radioactivité a été mesurée dans le liquide ruminal attestant d’un potentiel d’extraction limité. Les HAP semblent extraits du sol dans le tractus digestif ; des essais complémentaires seraient cependant nécessaires afin de déterminer plus précisément l’extractibilité de chaque compartiment du système gastrointestinal / Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH) are persistent organic molecules emitted by anthropogenic activities. The soil contamination resulting from the deposit and accumulation of the PAH is the main way of exposition for grazing cows and thus for the whole food chain. In this work, the contamination levels of PAH in soil from pastures located in the vicinity of emission sources was specified. It leads to an experimentation aiming in the study of the transfer of the PAH and their main monohydroxylated metabolite to milk following a chronic exposure to soil contaminated with fluorene, pyrene, phenanthrene and benzo[a]pyrene. The results showed that 2 % of the PAH associated with soil and brought via a rumen canula were transferred to milk under the 2-OH fluorene, 3-OH phenanthrene and 1-OH pyrene monohydroxylated. Moreover, less than 5 % of the given parent compound was measured in the faeces during the exposition period. This result and the increased monohydroxylated metabolite concentration in milk suggest the absorption and biotransformation of the PAH. An in vitro experimentation using two radio labelled compounds (phenanthrene and benzo[a]pyrene) was conducted in order to know where the main PAH extractability from the soil occurred in the ruminant gastrointestinal tract. The results obtained from the developed model suggest that less then 10 % of the radioactivity was removed in the rumen. Other studies are required in order to determine where the main extractability in the body occurs

La pollution des sols par les Eléments Traces Métalliques est un problème majeur car, contrairement aux autres milieux, le sol possède une plus faible capacité à s’épurer. Les différents modèles empiriques exprimant la solubilité et le coefficient de distribution Kd de ces polluants inorganiques dans les sols ne tiennent pas compte de l’influence des facteurs environnementaux. Le travail de thèse a consisté à étudier l’effet de facteurs environnementaux, dits « sensibles au changement global », sur la mobilité de Cd, Pb, Zn, As et Hg dans les sols, à l’aide d’un plan factoriel fractionnaire 24-1. Onze échantillons de sol représentatifs de 3 sites d’études industriels et agricoles des bassins de la Meuse et de l’Ebre ont été étudiés dans le cadre du projet européen AQUATERRA. Le comportement de As n’est pas significativement corrélé à la nature intrinsèque des échantillons de sol mais à l’augmentation de la température et à une condition anoxique. Ces facteurs stimulent les activités microbiennes de solubilisation de As tels que réduction dissolutive microbienne des oxyhydroxydes de Fe et la réduction de As(V). La forte implication de l’activité microbienne permet de modéliser la mobilité de As en fonction des facteurs environnementaux, pour l’ensemble des 11 échantillons de sol. A l’inverse, le comportement de Cd, Pb et particulièrement Zn, est très significativement corrélé à la nature des échantillons de sol et notamment le pH du sol. Enfin, la phytodisponibilité de Cd, Pb, Zn et As a été estimée, à l’aide d’un système à compartiment, et modélisée de manière empirique, afin de permettre une meilleure compréhension des phénomènes de transfert sol-plante. / Pollution induced by trace elements in soils is a major environmental problem because, compared to atmospheric and water pollution, the soil environment is much less resilient. Few studies have been conducted on the effect of environmental factors on trace elements mobility. The different empirical models expressing trace elements solubility and distribution coefficient in soils don’t take into account the effect of these factors. The thesis study the effect of global-change-sensitive factors on Cd, Pb, Zn, As and Hg mobility in soils, using a 24-1 fractional factorial design. Eleven soil samples representative of the 3 industrial and agricultural studied sites of the Meuse and Ebro basins have been studied in the framework of the European AQUATERRA project. As behaviour is not significatively linked to intrinsic nature of soil samples but to the temperature increase and to an anaerobic condition. These factors stimulate microbial activities involved in As solubilisation processes such as microbial dissolutive reduction of Fe oxyhydroxydes and As(V) reduction. The strong influence of microbial activity allow to model As mobility as a function of environmental factors for the whole 11 soil samples. On the contrary, Cd, Pb and above all Zn behaviour, are correlated very significatively to the nature of soil samples like soil pH. Finally, Cd, Pb, Zn and As phytoavailability have been assessed thanks to a compartment system and modelled empirically which aims to better estimate of soil-plant transfer processes.

Les teneurs élevées en mercure des sols Guyanais suscitent beaucoup d’attention de par les conséquences écotoxicologiques qui en découlent. Dans cet écosystème tropical particulier, notre recherche a eu pour objectifs i) d’évaluer l’importance des oxydes de fer dans la fixation du mercure ii) d’étudier l’impact des processus biogéochimiques dans la remobilisation de ce métal et iii) d’évaluer l’impact de ce mercure mobile sur le fonctionnement et la diversité génétique des communautés microbiennes du sol. Afin d’atteindre ces objectifs deux volets ont été abordés, avec comme matériel d’étude des sols naturels provenant d’une toposéquence proche d’un ancien site orpaillé, situé dans les environs du village de Cacao, et des sols jamais orpaillés de la forêt de Patagai. Dans le premier volet, les résultats obtenus ont montré que les quantités de mercure dans les sols étudiés diminuent le long de la toposéquence, des oxisols aux sols hydromorphes, de même que les teneurs en fer et ceci en étroite relation avec les conditions réductrices et les mouvements probables des nappes d’eau. Les analyses pédologiques combinées à des extractions chimiques sélectives des formes d’oxydes de fer ont permis de montrer l’importance de ces derniers et de leurs propriétés cristallochimiques dans la fixation du mercure. Ces résultats ont logiquement ouvert la voie à une étude microbiologique, visant à évaluer la capacité des bactéries ferri-réductrices à mobiliser le mercure, dans des conditions physico-chimiques réductrices proches de celles rencontrées en conditions naturelles. Menée en microcosme au laboratoire et en présence d’une source de carbone facilement biodégradable, cette étude a mis en évidence une redistribution du mercure parallèlement à l’activité ferri-réductrice bactérienne. Le rôle méthylateur de ces bactéries expliquerait les fortes concentrations de methylmercure (MeHg) rapportées dans les sols inondés de notre site d’étude. Le second volet de ce travail a été consacré à l’impact d’un apport du mercure sur les communautés microbiennes telluriques. Ce volet a été abordé à travers une approche multiscalaire combinant chimie, microbiologie, enzymologie et biologie moléculaire. Les résultats obtenus ont confirmé que l’effet du mercure dépend des teneurs appliquées. Alors que la densité microbienne ne semble pas modifiée, les diversités spécifiques, fonctionnelles ainsi que les cinétiques de minéralisation de carbone sont rapidement influencées par des fortes concentrations en mercure (20 µg/g de sol). D’autre part, si l’application du mercure a montré une modification irréversible à long terme de la structure génétique des communautés microbiennes, un phénomène de résilience a été rapidement constaté au niveau de la minéralisation du carbone et de la diversité fonctionnelle. Un travail complémentaire a permis de mettre en place une méthode d’évaluation multidimensionnelle de la résilience des communautés microbiennes à un stress environnemental / Guyanese soils contain high concentrations of mercury due to high geological background concentrations and locally to past gold-mining. The dynamics of this mercury is actually a major environmental and health preoccupation. In this particular ecosystem, the objectives of this thesis were to determine i) the importance of iron oxides in mercury distribution in soils, ii) the impact of microbial ferrireducing bacteria on the remobilisation of this toxic heavy metal, and iii) the impact of mercury pollution on the activity and genetic structure of soil microbial communities. This was assessed through two approaches, the first using soils sampled along a natural ferrallitic toposequence of a catchment basin, partly gold-mined up to 1950, near the village of Cacao. And the second using soils sampled from the forest of Patagai that records no past gold mining. Our results showed that the quantities of mercury decreased along the toposequence along with total iron contents, from the well drained oxisols to the hydromorphic talwegs. This happened in close relation to reductive conditions and watershed dynamics. The soil analyses combined to chemical extractions of amorphous and crystalline iron forms revealed the importance of the latter in mercury adsorption. These results logically brought us to study the impact of microbial activity, and more precisely bacterial iron reduction, on the remobilisation of mercury in these soils. This was carried out in reductive conditions similar to those encountered in natural conditions. In presence of available carbon, these experiments showed that ferri-reducing activity could solubilise significant quantities of iron, thus simultaneously mobilizing mercury. However, we did not detect an increase in dissolved mercury, presumably because it was re precipitated as HgS. Never the less, we observed variations in the amount of mercury associated to iron oxides during incubation. The second part of this work studied the impact of mercury on soil microbial communities. We approached this through a multidisciplinary study including chemistry, microbiology and molecular biology. Results confirmed that the effect of mercury depends on the concentration of Hg applied. While microbial biomass and numbers did not seem to be affected, the genetic structure as well as the functional diversity and carbon mineralisation were rapidly affected by high mercury concentrations (20 µg g-1 of soil). More over, we observed a rapid resilience in carbon mineralisation and functional diversity whereas genetic structure was durably modified. Complementary work enabled us to set up a multidimensional method to evaluate microbial community’s resistance and resilience to an environmental stress

Cette thèse s'inscrit dans une approche résolument pluridisciplinaire, centrée sur l'étude biogéochimique des cycles d'éléments majeurs - éléments en trace dans les eaux contrôlées par l'activité des microorganismes (piégeage/rélargage par la biomasse ou dégradation de la matière organique dissoute et particulaire). Le caractère innovant de ?ette thèse réside dans l'étude, pour la première fois, de l'impact de l'activité microbienne (minéralisation aerobiques par les bactéries typiques des sols, Pseudomonas) sur les cycles biogéochimiques des éléments grâce à la mise en oeuvre en parallèle d'outils géochimiques, physicochimiques et microbiologiques. Cette étude simultanée des cycles biogéochimiques des éléments et des paramètres d'activité biologique nous permettra de prédire les réponses des systèmes naturels aux changements climatiques et aux interventions humaines (sous forme de pollution organique ou métallique). Les études de terrain ont été accompagnés par des étude plus detaillés en laboratoire des mécanismes réactionnels. Dans le cadre de ce travail, mes efforts ont été consacrés à l'étude physicochimique des processus via la modélisation expérimentale de la dégradation de la matière organique des extraits du sol. Et des recherches des relations quantitatives entre la dégradation de la matière organique par les bactéries hétérotrophes Pseudomonas et les cycles des éléments associés. / Multidisciplinary approach for the study of the biogeochemical cycles of the main elements in soils and waters controlled by the activity of microorganisms (by uptake/release of cells or in the process of degradation of dissolved organic matter) was used in the thesis. The innovation of this work is to study the effect of microbial activity (soil typical aerobic bacteria Pseudomonas) on the biogeochemical cycles of elements due to take place geochemical, physical, chemical and microbiological processes. The simultaneous study of the biogeochemical cycles of elements and parameters of biological activity will allow us to predict the response of natural systems to climate change and human-induced disturbance (organic or metallic contamination). Field studies were accompanied by detailed laboratory studies of the reaction mechanisms. The thesis considers to the study of physical and chemical processes using of experimental modeling of the degradation of organic matter in soil extracts and to the study of the quantitative relation between the degradation of organic matter by heterotrophic bacteria Pseudomonas and cycles elements.

La sécheresse, accentuée par le réchauffement climatique actuel et à venir, induit des phénomènes de retrait et de gonflement dans de nombreux sols argileux. Ces phénomènes se traduisent principalement par deux conséquences majeures : la modification des propriétés physiques du sol qui influe directement sur l'agriculture et les déformations induisant souvent des tassements différentiels aux niveaux des structures et des ouvrages. Jusqu'à aujourd'hui, ces phénomènes ont été étudiés principalement à l'échelle mésoscopique (échelle " classique " de laboratoire) et macroscopique (échelle de l'ouvrage). Des recherches ont été menées à l'échelle microscopique mais dans des contextes particuliers (argiles destinées au stockage des déchets radioactifs). Le travail de recherche présenté dans ce mémoire de thèse constitue par conséquent une des premières études sur des argiles naturelles, prélevées in situ sur des sites affectés par le retrait-gonflement : la montmorillonite grecque et l'argile verte de Romainville. Ces deux argiles ont été soumises à des cycles d'humidification-séchage dans le Microscope Electronique à Balayage Environnemental (MEBE) afin de quantifier le retrait-gonflement et d'en étudier la cinétique. Un protocole expérimental a été établi, basé sur l'application de l'humidification et du séchage par paliers avec des temps d'équilibre et une fréquence d'application réguliers. Ces essais ont été menés dans le but d'analyser : l'influence de la composition minéralogique, l'étude de l'effet d'échelle et l'influence du type de pilotage (pression ou température). En parallèle à ces essais, des expérimentations ont été menées à l'échelle mésoscopique afin d'établir d'éventuels liens entre les deux échelles. Ils ont consisté en l'étude de l'évolution de la microstructure, de la microporosité et de l'établissement des courbes de rétention. Les observations effectuées à ces deux échelles ont mené à la mise au point de deux méthodes, volontairement simplifiées pour des facilités de mise en œuvre et d'une investigation rapide (études préliminaires, bureaux d'étude). Ces deux méthodes sont, l'une analytique, l'autre numérique, permettant la transition vers l'échelle macroscopique et pour pouvoir estimer le retrait et le gonflement possibles sur un site donné. L'analyse des résultats des essais effectués à l'échelle microscopique (essais MEBE) conduit aux remarques suivantes : la majeure partie des déformations se produit aux fortes humidités relatives ; les déformations mesurées à l'échelle microscopique sont similaires à celles mesurées à l'échelle mésoscopique ; la cinétique de gonflement et de retrait est marquée par plusieurs phases distinctes selon l'argile considérée ; la composition minéralogique, la taille des agrégats et le type de pilotage présentent une influence au niveau de l'amplitude du retrait-gonflement et de la cinétique. L'analyse des résultats des essais effectués à l'échelle mésoscopique (essais de laboratoire) conduit aux remarques suivantes : la limite de retrait (Wr) correspond à une teneur en eau de 13 % et un indice des vides de 0,52 ; aux fortes et moyennes succions, le sol présente une microstructure compacte avec une macroporosité augmentant avec la succion ; aux faibles succions, la microstructure compacte évolue de contours nets et saillants des agrégats à des contours plus doux et réguliers ; des microorganismes ont été observés, engendrant une porosité à la surface très importante, pouvant entraîner un vieillissement du sol et la création de chemins préférentiels pour la pénétration de l'eau ; avec la diminution de la succion, une diminution de la surface spécifique externe et du volume microporeux est observée ; l'humidification et le séchage des échantillons ne semblent pas induire pas de conséquences irréversibles sur la microstructure.

Th. doct.--Rennes 1, 1999. / Contient des textes en anglais. Bibliogr. p. 273-291. Résumé en français et en anglais.

Dissertation--Göteborg--Universitet, 2004. / Bibliogr. p. 4:20-4:22.

Thèse de doctorat : Sciences. Génie civil : Ecole centrale de Lyon : 2004. / 249 réf.

Thèse de doctorat : Sciences. Génie civil : Ecole centrale de Lyon : 2004. / Titre provenant de l'écran-titre. 249 réf.